CN103163886A - 一种智能车辆的自动驾驶装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种智能车辆的自动驾驶装置。该装置包括自动驾驶执行机构和控制系统；所述自动驾驶执行机构包括转向执行机构、制动执行机构、油门执行机构和档位执行机构；所述控制系统包括解码器、串行通信单元、单片机、CAN接口、数据存储单元、复位电路和电源转化单元。本发明采用模块化设计，其中转向模块采用同步带传动方式通过方向盘上夹具和方向盘下夹具直接加装于方向盘上，对原车改动小，不影响原车驾驶性能，适用于具有不同方向盘尺寸的各种车型；制动模块、油门模块和档位模块采用直流伺服电机带动滚珠丝杠进而拉动软轴的方法，来实现控制制动、油门和档位的状态，不影响人工驾驶。使用CAN总线将4个执行模块进行连接，自动控制精度高、响应速度快。

Description

一种智能车辆的自动驾驶装置及控制方法

技术领域

本发明属于智能车辆的技术领域，具体涉及一种智能车辆的自动驾驶装置及控制方法。

背景技术

智能车辆是验证机器感知与认知理论、方法与技术的最佳平台之一。智能车辆不仅在军事、探险和救援等危险、恶劣环境下具有广阔的应用前景，同时智能车辆所涉及到的各种汽车传感器、环境感知系统、行驶安全预警与辅助驾驶智能决策等关键技术对于提高人工驾驶汽车的智能化程度和行驶安全性具有重要意义。因此，世界主要发达国家将智能车辆作为展示人工智能技术水平、引领车辆工业未来的重要平台，纷纷开展智能车辆的研究。

在智能车辆的发展过程中，底层自动驾驶装置的性能始终是影响车辆智能控制能力的关键因素之一。自动驾驶装置能够接收上层控制系统的指令，并控制车辆的转向、速度与档位等运动特性。自动驾驶装置作为所有运动动作的最终执行者，其执行效果直接影响智能车辆能否准确且实时地完成上层系统的控制指令，是整个智能车辆感知、规划、推理以及决策等智能能力的基础，是智能车辆的核心系统之一。然而，目前对于智能车辆的自动驾驶装置尚无完善的方案。检索现有的技术文献，中国专利申请号为201110261026.8，名称：一种用于车辆道路试验的自动驾驶机器人，该专利可实现车辆的自动驾驶，但是，自动驾驶机器人占用了驾驶空间，自动驾驶和人工驾驶两种模式的切换不方便，主要用于车辆的道路试验；中国专利申请号为201010104800.X，公开日：2011年7月27日，名称：一种无人驾驶车辆转向装置及其控制方法，该专利能实现智能车辆的自动转向，但是对原车机械结构进行了较多的改造，容易对原车性能产生影响，且只能用于有限的车型；美国专利号：US7628239B1，名称：Adaptable Remote Control Driving，主要应用于对自动驾驶车辆的改装，但是其价格昂贵并且转向装置的位置控制精度不高，传动不平稳等。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的缺陷，达到具有通用性强、自动控制精度高、响应速度快、人工驾驶模式和自动驾驶模式切换方便、对原车的机械改造少、易于装拆并不影响原车驾驶性能的效果，本发明提供一种智能车辆自动驾驶装置及控制方法。

本发明一种智能车辆的自动驾驶装置包括自动驾驶执行机构和控制系统。

所述自动驾驶执行机构包括转向执行机构、制动执行机构、油门执行机构和档位执行机构；

所述转向执行机构包括直流伺服电机2，直流伺服电机2的输出端连接着行星齿轮减速器3，行星齿轮减速器3的输出端连接着小带轮轴4的一端，小带轮轴4的另一端上依次连接着干式电磁离合器5和小带轮6；与小带轮轴4平行设有大带轮轴9，大带轮轴9的一端上设在大带轮8，大带轮轴9的另一端为连接盘，连接盘上均布连接着三根方向盘夹杆10，每根方向盘夹杆10的外端为倒U形开口端，U形的夹块与倒U形开口端配合连接，使用时，所述夹块和方向盘夹杆10的倒U形开口端配合卡扣在方向盘的环杆上；大带轮8和小带轮6上跨设着同步带7；所述直流伺服电机2上设有转向编码器1；

所述制动执行机构包括依次连接的制动直流伺服电机23和制动滚珠丝杠26，制动直流伺服电机23上设有制动编码器20；

所述油门执行机构包括依次连接着油门直流伺服电机24和油门滚珠丝杠27，油门直流伺服电机24上设有油门编码器21；

所述档位执行机构包括依次连接着档位直流伺服电机25和档位滚珠丝杠28，档位直流伺服电机25上设有档位编码器22；

所述控制系统包括解码器38、串行通信单元39、单片机37、CAN接口43、数据存储单元42、复位电路41和电源转化单元40；控制单元15通过轮速传感器和GPS分别输入当前的车速和车辆位置信息，解码器38与轮速传感器连接，串行通信单元39与GPS连接，Can接口43分别与转向驱动单元16、制动驱动单元17，油门驱动单元18和档位驱动单元19连接；复位电路41实现软硬件两种模式的复位；电源转化单元40给单片机37和其他单元供电；控制单元15根据车速信息和车辆位置信息，以及数据存储单元42中的轨迹信息，实时解算出转向、制动、油门、档位的输出量，通过转向驱动单元16、制动驱动单元17，油门驱动单元18和档位驱动单元19分别控制转向直流伺服电机2、制动直流伺服电机23、油门直流伺服电机24和档位直流伺服电机25，实现车辆的自动驾驶。

所述控制系统的单片机37的型号为MCS12XDP512MAL；其中引脚46和引脚47是外部时钟输入端，采用并联连接方式，电容C18、C19为负载电容，电阻R7是为了保证晶振起振；引脚83是AD转换器供电端,引脚107是I/O驱动器供电端，引脚41是内部电压调节器供电端，均采用+5V电源供电；引脚43是锁相环供电端，引脚13和引脚65是内部电源供电端,均采用内部电压供电；引脚85和引脚84是AD转换器参考电压端，电阻R28和R29为下拉电阻；引脚97是内部电压调整器使能端，通过上拉电阻R1可开启内部电压调整器；引脚38、引脚37、引脚23和引脚36可以设置MCS12XDP512MAL的工作模式，电阻R2、R3、R4为下拉电阻。

所述控制系统的解码器38的型号为HCTL2020，一共有20个引脚，引脚1，引脚11，引脚12，引脚13，引脚14，引脚17，引脚18，引脚19是八位数据输出端，分别连接单片机37的引脚24，引脚31，引脚30，引脚29，引脚28，引脚27，引脚26，引脚25；引脚2是外部时钟信号输入端，连接单片机37的引脚3；引脚3是高低八位数据选择输入端，连接单片机37的引脚8；引脚4是使能输入端，连接单片机37的引脚7；引脚5是内部计数器状态控制输入端，悬空不连接；引脚6是未定义端，悬空不连接；引脚7是复位输入端，连接单片机37的引脚6；引脚8是脉冲信号输入端B，连接轮速传感器（SENSOR）接口的引脚1和引脚3；引脚9是脉冲信号输入端A，连接轮速传感器（SENSOR）接口的引脚2和引脚4；引脚10是接地端，连接电源地；引脚15和引脚16是内部计数器状态标志输出端，悬空不连接；引脚20是供电输入端，连接+5V电源电压；C37是滤波电容；解码器38的作用是对轮速传感器产生的双路脉冲信号进行计数，计数结果以八位并行数据形式发送给单片机37。

所述控制系统的串行通信单元39包括电平转换芯片U5，电平转换芯片U5的型号MAX232，一共有16个引脚，引脚1和引脚2是+5V电压转+10V电压电荷泵输入端，连接电容C25；引脚2是+10V电压输出端，连接电容C27后接+5V电源；引脚4和引脚5是+10V电压转-10V电压电荷泵输入端，连接电容C26；引脚6是-10V电压输出端，连接电容C28后接电源地；引脚7是第二数据通道RS232电平输出端，连接SCI1接口的引脚4；引脚8是第二数据通道RS232电平输入端，连接SCI1接口的引脚3；引脚9是第二数据通道TTL电平输出端，连接单片机37的引脚91；引脚10是第二数据通道TTL电平输入端，连接单片机37的引脚92；引脚11是第一数据通道TTL电平输入端，连接单片机37的引脚90；引脚12是第一数据通道TTL电平输出端，连接单片机37的引脚89；引脚13是第一数据通道RS232电平输入端，连接SCI0接口的引脚3；引脚14是第一数据通道RS232电平输出端，连接SCI0接口的引脚4；引脚15是接地端，连接电源地；引脚16是供电输入端，连接+5V电源电压；C24是滤波电容；串行通信单元（39）的作用是完成RS232电平和TTL电平的相互转换，实现串行数据通信。

所述控制系统的电源转化单元40包括第一直流电压转换芯片U2和第二直流电压转换芯片U3；第一直流电压转换芯片U2的型号LM2940CS，一共有4个引脚，U2的引脚1是电源电压输入端，连接保险丝F1后接POWER接口的引脚2，C21是电源电压输入端的滤波电容；U2的引脚2是接地端，连接电源地；U2的引脚3是+5V电源电压输出端，C22和C23是电源电压输出端的滤波电容；U2的引脚4是固定焊盘，没有电气特性，可以与引脚2连接；第二直流电压转换芯片U3的型号LM1117，一共有4个引脚，U3的引脚1是接地端，连接电源地；U3的引脚2是+3.3V电源电压输出端，连接限流电阻R42，C40和C41是电源电压输出端的滤波电容；U3的引脚3是电源电压输入端，连接+5V电源电压，C39是电源电压输入端的滤波电容；U3的引脚4是固定焊盘，没有电气特性，可以与引脚2连接；电源转化单元40的作用是将输入的+6V-24V直流电源转换成单片机和其它单元所需要的电源电压。

所述控制系统的复位电路41包括背景调试接口BDM， BDM的引脚1和引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是单片机37工作模式输出端，通过电阻R10连接单片机37的引脚23；引脚4是复位输出端，通过连接电阻R8和R9实现单片机37的软件复位；引脚5和引脚6是供电输入端，连接+5V电源电压；R11是上拉电阻，C20是滤波电容，PB1是复位按键，实现单片机37的硬件复位；复位电路41的作用是实现单片机37的软硬件复位以及背景调试。

所述控制系统的数据存储单元42包括FLASH数据存储接口U4，一共有12个引脚，引脚1是片选输入端，连接单片机37的引脚96；引脚2是数据输入端，连接单片机37的引脚94；引脚3、引脚6和引脚10是接地端，连接电源地；引脚4是供电输入端，连接+3.3V电源电压；引脚5是外部时钟信号输入端，连接单片机37的引脚95；引脚7是数据输出端，连接单片机37的引脚93；引脚8是数据端1，用于SD卡模式，在SPI模式下悬空未连接；引脚9是数据端2，用于SD卡模式，在SPI模式下悬空未连接；引脚11是固定焊盘，没有电气特性，可以连接电源地；引脚12是数据写保护端，连接电源地；R30、R31、R32、R33为上拉电阻，C38为滤波电容；数据存储单元42采用SPI工作模式，作用是存储数据。

所述控制系统的Can接口43设有两路Can通信模块，Can0总线用于上位机通信，Can4总线用于输出执行电路的通信；作用是实现与其它设备的Can总线通信；U6是高速Can通信协议转换芯片TJA1040，一共有8个引脚，引脚1是数据输出端，连接单片机的引脚104；引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是供电输入端，连接+5V电源电压；引脚4是数据输入端，连接单片机的引脚105；引脚5是参考电压输出端，连接匹配电阻R14、R15；引脚6是低电平Can总线输入输出端，连接Can0接口的引脚1和引脚3；引脚7是高电平Can总线输入输出端，连接Can0接口的引脚2和引脚4；引脚8是工作模式输入端，连接电阻R13接地后实现正常工作模式；C29，C30是滤波电容。U7也是高速Can通信协议转换芯片TJA1040，一共有8个引脚，其连接方式与U6相同，引脚1是数据输出端，连接单片机的引脚98；引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是供电输入端，连接+5V电源电压；引脚4是数据输入端，连接单片机的引脚99；引脚5是参考电压输出端，连接匹配电阻R17、R18；引脚6是低电平Can总线输入输出端，连接Can4接口的引脚1和引脚3；引脚7是高电平Can总线输入输出端，连接Can4接口的引脚2和引脚4；引脚8是工作模式输入端，连接电阻R16接地后实现正常工作模式；C31，C32是滤波电容。

一种智能车辆自动驾驶装置控制方法的具体操作步骤如下：

步骤100.首先进行软硬件初始化；

步骤110.接受上位机发送的功能模式指令，上位机是指令输出端，是普通计算机，属于外接设备；

步骤120.根据上位机发送的功能模式指令，电磁离合器执行相应的动作，若上位机发送的是人工驾驶模式指令，则干式电磁离合器5，断电分离；若上位机发送的是自动驾驶模式指令，则干式电磁离合器5通电吸合； 

步骤130. 若干式电磁离合器5断电分离，车辆处于人工驾驶模式，不具备自动驾驶功能；

步骤140. 若干式电磁离合器5通电吸合，车辆处于自动驾驶模式；

步骤150. 通过串行通信单元39接受GPS发送的车辆位置的信息，GPS为外接设备；

步骤160. 单片机37接受GPS发送的车辆位置信息，经过数据处理，单片机37产生车辆期望的控制指令； 

步骤170.单片机37输出的控制指令通过Can接口43分别送至转向驱动单元16、制动驱动单元17、油门驱动单元18和档位驱动单元19； 

步骤180. 转向驱动单元16、制动驱动单元17、油门驱动单元18和档位驱动单元19通过Can接口43接受单片机37的控制指令，并向转向直流伺服电机2、制动直流伺服电机23、油门直流伺服电机24和档位直流伺服电机25发送相应的控制指令；

步骤190. 转向直流伺服电机2、制动直流伺服电机23、油门直流伺服电机24和档位直流伺服电机25分别接受转向驱动单元16、制动驱动单元17、油门驱动单元18和档位驱动单元19所发送的控制指令，并执行相应的动作，从而实现了车辆的自动驾驶。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、本发明采用模块化设计，主要包括转向模块、制动模块、油门模块、档位模块等4个执行模块及其对应的控制模块，装拆方便，便于维护，成本低；

2、转向模块采用同步带传动方式通过方向盘上夹具和方向盘下夹具直接加装于方向盘上，对原车改动小，不影响原车驾驶性能，适用于具有不同方向盘尺寸的各种车型，通过电磁离合器方便的进行自动驾驶和人工驾驶两种模式的切换；

3、制动模块、油门模块和档位模块采用直流伺服电机带动滚珠丝杠进而拉动软轴的方法，来实现控制制动、油门和档位的状态，其主要部分集成在控制箱中，不影响人工驾驶；

4、使用CAN总线将4个执行模块进行连接，实现了轨迹跟踪和直接控制两种模式的自动驾驶，并且其自动控制精度高、响应速度快。

附图说明

图1为本发明的自动驾驶装置原理图。

图2为本发明的自动驾驶装置中的转向模块立体图。

图3为本发明的自动驾驶装置中的转向模块剖视图。

图4为本发明的自动驾驶装置中的控制箱立体图。

图5为本发明的自动驾驶装置中的控制模块框图。

图6为本发明的单片机电路图。

图7为本发明的解码器电路图。

图8为本发明的串行通信单元电路图。

图9为本发明的电源转化单元电路图。

图10为本发明的复位电路图。

图11为本发明的数据存储单元电路图。

图12为本发明的Can接口电路图。

图13为本发明的自动驾驶装置控制方法流程图。

 上图中序号：1 转向编码器，2 转向直流伺服电机，3 行星齿轮减速器，4 小带轮轴，5 干式电磁离合器，6 小带轮，7 同步带，8 大带轮，9 大带轮轴，10 方向盘上夹具，11 方向盘，12 方向盘下夹具，13 控制箱，14 电源，15 自动驾驶装置控制单元，16 转向驱动单元，17 制动驱动单元，18 油门驱动单元，19 档位驱动单元，20 制动编码器，21油门编码器，22档位编码器，23 制动直流伺服电机，24油门直流伺服电机，25档位直流伺服电机，26 制动滚珠丝杠，27油门滚珠丝杠 28档位滚珠丝杠，29 制动软轴，30 油门软轴，31档位软轴，32 控制模块，33 控制箱，34 制动踏板，35 油门踏板，36换挡手柄，37 单片机，38 解码器，39 串行通信单元，40电源转化单元，41 复位电路，42 数据存储单元，43 Can接口。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地说明。

参见图1，一种智能车辆的自动驾驶装置包括自动驾驶执行机构和控制系统。

参见图2和图3，自动驾驶执行机构包括转向执行机构、制动执行机构、油门执行机构和档位执行机构。由图2可见，转向执行机构包括直流伺服电机2，直流伺服电机2的输出端连接着行星齿轮减速器3，行星齿轮减速器3的输出端连接着小带轮轴4的一端，小带轮轴4的另一端上依次连接着干式电磁离合器5和小带轮6；与小带轮轴4平行设有大带轮轴9，大带轮轴9的一端上设在大带轮8，大带轮轴9的另一端为连接盘，连接盘上均布连接着三根方向盘夹杆10，每根方向盘夹杆10的外端为倒U形开口端，U形的夹块与倒U形开口端配合连接，使用时，所述夹块和方向盘夹杆10的倒U形开口端配合卡扣在方向盘的环杆上；大带轮8和小带轮6上跨设着同步带7；直流伺服电机2上安装有转向编码器1。

参见图4，制动执行机构包括依次连接的制动直流伺服电机23和制动滚珠丝杠26，制动直流伺服电机23上安装有制动编码器20；油门执行机构包括依次连接着油门直流伺服电机24和油门滚珠丝杠27，油门直流伺服电机24上安装有油门编码器21；所述档位执行机构包括依次连接着档位直流伺服电机25和档位滚珠丝杠28，档位直流伺服电机25上安装有档位编码器22；制动滚珠丝杠26与车辆上的制动软轴29连接，油门滚珠丝杠27与车辆上的油门软轴30连接，档位滚珠丝杠28与车辆上的档位软轴31连接。

参见图5，控制系统包括解码器38、串行通信单元39、单片机37、CAN接口43、数据存储单元42、复位电路41和电源转化单元40；控制单元15通过轮速传感器和GPS分别输入当前的车速和车辆位置信息，解码器38与轮速传感器连接，串行通信单元39与GPS连接，Can接口43分别与转向驱动单元16、制动驱动单元17，油门驱动单元18和档位驱动单元19连接；复位电路41实现软硬件两种模式的复位；电源转化单元40给单片机37和其他单元供电；控制单元15根据车速信息和车辆位置信息，以及数据存储单元42中的轨迹信息，实时解算出转向、制动、油门、档位的输出量，通过转向驱动单元16、制动驱动单元17，油门驱动单元18和档位驱动单元19分别控制转向直流伺服电机2、制动直流伺服电机23、油门直流伺服电机24和档位直流伺服电机25，实现车辆的自动驾驶。

控制系统的具体结构如下：参见图6，单片机37型号为MCS12XDP512MAL；其中引脚46和引脚47是外部时钟输入端，采用并联连接方式，电容C18、C19为负载电容，电阻R7是为了保证晶振起振；引脚83是AD转换器供电端,引脚107是I/O驱动器供电端，引脚41是内部电压调节器供电端，均采用+5V电源供电；引脚43是锁相环供电端，引脚13和引脚65是内部电源供电端,均采用内部电压供电；引脚85和引脚84是AD转换器参考电压端，电阻R28和R29为下拉电阻；引脚97是内部电压调整器使能端，通过上拉电阻R1可开启内部电压调整器；引脚38、引脚37、引脚23和引脚36可以设置MCS12XDP512MAL的工作模式，电阻R2、R3、R4为下拉电阻。

参见图7，解码器38型号为HCTL2020，一共有20个引脚，引脚1，引脚11，引脚12，引脚13，引脚14，引脚17，引脚18，引脚19是八位数据输出端，分别连接单片机37的引脚24，引脚31，引脚30，引脚29，引脚28，引脚27，引脚26，引脚25；引脚2是外部时钟信号输入端，连接单片机37的引脚3；引脚3是高低八位数据选择输入端，连接单片机37的引脚8；引脚4是使能输入端，连接单片机37的引脚7；引脚5是内部计数器状态控制输入端，悬空不连接；引脚6是未定义端，悬空不连接；引脚7是复位输入端，连接单片机37的引脚6；引脚8是脉冲信号输入端B，连接轮速传感器（SENSOR）接口的引脚1和引脚3；引脚9是脉冲信号输入端A，连接轮速传感器（SENSOR）接口的引脚2和引脚4；引脚10是接地端，连接电源地；引脚15和引脚16是内部计数器状态标志输出端，悬空不连接；引脚20是供电输入端，连接+5V电源电压；C37是滤波电容；解码器38的作用是对轮速传感器产生的双路脉冲信号进行计数，计数结果以八位并行数据形式发送给单片机37。

参见图8，串行通信单元39包括电平转换芯片U5，电平转换芯片U5的型号MAX232，一共有16个引脚，引脚1和引脚2是+5V电压转+10V电压电荷泵输入端，连接电容C25；引脚2是+10V电压输出端，连接电容C27后接+5V电源；引脚4和引脚5是+10V电压转-10V电压电荷泵输入端，连接电容C26；引脚6是-10V电压输出端，连接电容C28后接电源地；引脚7是第二数据通道RS232电平输出端，连接SCI1接口的引脚4；引脚8是第二数据通道RS232电平输入端，连接SCI1接口的引脚3；引脚9是第二数据通道TTL电平输出端，连接单片机37，的引脚91；引脚10是第二数据通道TTL电平输入端，连接单片机37的引脚92；引脚11是第一数据通道TTL电平输入端，连接单片机37，的引脚90；引脚12是第一数据通道TTL电平输出端，连接单片机37，的引脚89；引脚13是第一数据通道RS232电平输入端，连接SCI0接口的引脚3；引脚14是第一数据通道RS232电平输出端，连接SCI0接口的引脚4；引脚15是接地端，连接电源地；引脚16是供电输入端，连接+5V电源电压；C24是滤波电容；串行通信单元39的作用是完成RS232电平和TTL电平的相互转换，实现串行数据通信。

参见图9，电源转化单元40包括第一直流电压转换芯片U2和第二直流电压转换芯片U3；第一直流电压转换芯片U2的型号LM2940CS，一共有4个引脚，U2的引脚1是电源电压输入端，连接保险丝F1后接POWER接口的引脚2，C21是电源电压输入端的滤波电容；U2的引脚2是接地端，连接电源地；U2的引脚3是+5V电源电压输出端，C22和C23是电源电压输出端的滤波电容；U2的引脚4是固定焊盘，没有电气特性，可以与引脚2连接；第二直流电压转换芯片U3的型号LM1117，一共有4个引脚，U3的引脚1是接地端，连接电源地；U3的引脚2是+3.3V电源电压输出端，连接限流电阻R42，C40和C41是电源电压输出端的滤波电容；U3的引脚3是电源电压输入端，连接+5V电源电压，C39是电源电压输入端的滤波电容；U3的引脚4是固定焊盘，没有电气特性，可以与引脚2连接；电源转化单元40的作用是将输入的+6V-24V直流电源转换成单片机和其它单元所需要的电源电压。

参见图10，控制系统的复位电路41包括背景调试接口BDM， BDM的引脚1和引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是单片机37工作模式输出端，通过电阻R10连接单片机37的引脚23；引脚4是复位输出端，通过连接电阻R8和R9实现单片机37的软件复位；引脚5和引脚6是供电输入端，连接+5V电源电压；R11是上拉电阻，C20是滤波电容，PB1是复位按键，实现单片机37的硬件复位；复位电路41的作用是实现单片机37的软硬件复位以及背景调试。

参见图11，数据存储单元42包括FLASH数据存储接口U4，一共有12个引脚，引脚1是片选输入端，连接单片机37的引脚96；引脚2是数据输入端，连接单片机37的引脚94；引脚3、引脚6和引脚10是接地端，连接电源地；引脚4是供电输入端，连接+3.3V电源电压；引脚5是外部时钟信号输入端，连接单片机37的引脚95；引脚7是数据输出端，连接单片机37的引脚93；引脚8是数据端1，用于SD卡模式，在SPI模式下悬空未连接；引脚9是数据端2，用于SD卡模式，在SPI模式下悬空未连接；引脚11是固定焊盘，没有电气特性，可以连接电源地；引脚12是数据写保护端，连接电源地；R30、R31、R32、R33为上拉电阻，C38为滤波电容；数据存储单元42采用SPI工作模式，作用是存储数据。

参见图12，Can接口43设有两路Can通信模块，Can0总线用于上位机通信，Can4总线用于输出执行电路的通信；作用是实现与其它设备的Can总线通信；U6是高速Can通信协议转换芯片TJA1040，一共有8个引脚，引脚1是数据输出端，连接单片机的引脚104；引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是供电输入端，连接+5V电源电压；引脚4是数据输入端，连接单片机的引脚105；引脚5是参考电压输出端，连接匹配电阻R14、R15；引脚6是低电平Can总线输入输出端，连接Can0接口的引脚1和引脚3；引脚7是高电平Can总线输入输出端，连接Can0接口的引脚2和引脚4；引脚8是工作模式输入端，连接电阻R13接地后实现正常工作模式；C29，C30是滤波电容。U7也是高速Can通信协议转换芯片TJA1040，一共有8个引脚，其连接方式与U6相同，引脚1是数据输出端，连接单片机的引脚98；引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是供电输入端，连接+5V电源电压；引脚4是数据输入端，连接单片机的引脚99；引脚5是参考电压输出端，连接匹配电阻R17、R18；引脚6是低电平Can总线输入输出端，连接Can4接口的引脚1和引脚3；引脚7是高电平Can总线输入输出端，连接Can4接口的引脚2和引脚4；引脚8是工作模式输入端，连接电阻R16接地后实现正常工作模式；C31，C32是滤波电容。

参见图13，智能车辆自动驾驶装置控制方法的具体操作步骤如下：

步骤100.首先进行软硬件初始化；

步骤110.接受上位机发送的功能模式指令，上位机是指令输出端，是普通计算机，属于外接设备；

步骤120.根据上位机发送的功能模式指令，电磁离合器执行相应的动作，若上位机发送的是人工驾驶模式指令，则干式电磁离合器5，断电分离；若上位机发送的是自动驾驶模式指令，则干式电磁离合器5通电吸合； 

步骤130. 若干式电磁离合器5断电分离，车辆处于人工驾驶模式，不具备自动驾驶功能；

步骤140. 若干式电磁离合器5通电吸合，车辆处于自动驾驶模式；

步骤150. 通过串行通信单元39接受GPS发送的车辆位置的信息，GPS为外接设备；

步骤160. 单片机37接受GPS发送的车辆位置信息，经过数据处理，单片机37产生车辆期望的控制指令； 

步骤170.单片机37输出的控制指令通过Can接口43分别送至转向驱动单元16、制动驱动单元17、油门驱动单元18和档位驱动单元19； 

步骤180. 转向驱动单元16、制动驱动单元17、油门驱动单元18和档位驱动单元19通过Can接口43接受单片机37的控制指令，并向转向直流伺服电机2、制动直流伺服电机23、油门直流伺服电机24和档位直流伺服电机25发送相应的控制指令；

步骤190. 转向直流伺服电机2、制动直流伺服电机23、油门直流伺服电机24和档位直流伺服电机25分别接受转向驱动单元16、制动驱动单元17、油门驱动单元18和档位驱动单元19所发送的控制指令，并执行相应的动作，从而实现了车辆的自动驾驶。

Claims (3)

1.一种智能车辆的自动驾驶装置，其特征在于：包括自动驾驶执行机构和控制系统；

所述自动驾驶执行机构包括转向执行机构、制动执行机构、油门执行机构和档位执行机构；

所述转向执行机构包括直流伺服电机（2），直流伺服电机（2）的输出端连接着行星齿轮减速器（3），行星齿轮减速器（3）的输出端连接着小带轮轴（4）的一端，小带轮轴（4）的另一端上依次连接着干式电磁离合器（5）和小带轮（6）；与小带轮轴（4）平行设有大带轮轴（9），大带轮轴（9）的一端上设在大带轮（8），大带轮轴（9）的另一端为连接盘，连接盘上均布连接着三根方向盘夹杆（10），每根方向盘夹杆（10）的外端为倒U形开口端，U形的夹块与倒U形开口端配合连接，使用时，所述夹块和方向盘夹杆（10）的倒U形开口端配合卡扣在方向盘的环杆上；大带轮（8）和小带轮（6）上跨设着同步带（7）；所述直流伺服电机（2）上设有转向编码器（1）；

所述制动执行机构包括依次连接的制动直流伺服电机（23）和制动滚珠丝杠（26），制动直流伺服电机（23）上设有制动编码器（20）；

所述油门执行机构包括依次连接着油门直流伺服电机（24）和油门滚珠丝杠（27），油门直流伺服电机（24）上设有油门编码器（21）；

所述档位执行机构包括依次连接着档位直流伺服电机（25）和档位滚珠丝杠（28），档位直流伺服电机（25）上设有档位编码器（22）；

所述控制系统包括解码器（38）、串行通信单元（39）、单片机（37）、CAN接口（43）、数据存储单元（42）、复位电路（41）和电源转化单元（40）；控制单元15通过轮速传感器和GPS分别输入当前的车速和车辆位置信息，解码器（38）与轮速传感器连接，串行通信单元（39）与GPS连接，Can接口（43）分别与转向驱动单元（16）、制动驱动单元（17），油门驱动单元（18）和档位驱动单元（19）连接；复位电路（41）实现软硬件两种模式的复位；电源转化单元（40）给单片机（37）和其他单元供电；控制单元（15）根据车速信息和车辆位置信息，以及数据存储单元（42）中的轨迹信息，实时解算出转向、制动、油门、档位的输出量，通过转向驱动单元（16）、制动驱动单元（17），油门驱动单元（18）和档位驱动单元（19）分别控制转向直流伺服电机（2）、制动直流伺服电机（23）、油门直流伺服电机（24）和档位直流伺服电机（25），实现车辆的自动驾驶。

2.根据权利要求1所述的一种智能车辆的自动驾驶装置，其特征在于：所述控制系统的单片机（37）的型号为MCS12XDP512MAL；其中引脚46和引脚47是外部时钟输入端，采用并联连接方式，电容C18、C19为负载电容，电阻R7是为了保证晶振起振；引脚83是AD转换器供电端,引脚107是I/O驱动器供电端，引脚41是内部电压调节器供电端，均采用+5V电源供电；引脚43是锁相环供电端，引脚13和引脚65是内部电源供电端,均采用内部电压供电；引脚85和引脚84是AD转换器参考电压端，电阻R28和R29为下拉电阻；引脚97是内部电压调整器使能端，通过上拉电阻R1可开启内部电压调整器；引脚38、引脚37、引脚23和引脚36可以设置MCS12XDP512MAL的工作模式，电阻R2、R3、R4为下拉电阻；

所述控制系统的解码器（38）型号为HCTL2020，一共有20个引脚，引脚1，引脚11，引脚12，引脚13，引脚14，引脚17，引脚18，引脚19是八位数据输出端，分别连接单片机（37）的引脚24，引脚31，引脚30，引脚29，引脚28，引脚27，引脚26，引脚25；引脚2是外部时钟信号输入端，连接单片机（37）的引脚3；引脚3是高低八位数据选择输入端，连接单片机（37）的引脚8；引脚4是使能输入端，连接单片机（37）的引脚7；引脚5是内部计数器状态控制输入端，悬空不连接；引脚6是未定义端，悬空不连接；引脚7是复位输入端，连接单片机（37）的引脚6；引脚8是脉冲信号输入端B，连接轮速传感器（SENSOR）接口的引脚1和引脚3；引脚9是脉冲信号输入端A，连接轮速传感器（SENSOR）接口的引脚2和引脚4；引脚10是接地端，连接电源地；引脚15和引脚16是内部计数器状态标志输出端，悬空不连接；引脚20是供电输入端，连接+5V电源电压；C37是滤波电容；解码器（38）的作用是对轮速传感器产生的双路脉冲信号进行计数，计数结果以八位并行数据形式发送给单片机（37）；

所述控制系统的串行通信单元（39）包括电平转换芯片U5，电平转换芯片U5的型号MAX232，一共有16个引脚，引脚1和引脚2是+5V电压转+10V电压电荷泵输入端，连接电容C25；引脚2是+10V电压输出端，连接电容C27后接+5V电源；引脚4和引脚5是+10V电压转-10V电压电荷泵输入端，连接电容C26；引脚6是-10V电压输出端，连接电容C28后接电源地；引脚7是第二数据通道RS232电平输出端，连接SCI1接口的引脚4；引脚8是第二数据通道RS232电平输入端，连接SCI1接口的引脚3；引脚9是第二数据通道TTL电平输出端，连接单片机（37）的引脚91；引脚10是第二数据通道TTL电平输入端，连接单片机（37）的引脚92；引脚11是第一数据通道TTL电平输入端，连接单片机（37）的引脚90；引脚12是第一数据通道TTL电平输出端，连接单片机（37）的引脚89；引脚13是第一数据通道RS232电平输入端，连接SCI0接口的引脚3；引脚14是第一数据通道RS232电平输出端，连接SCI0接口的引脚4；引脚15是接地端，连接电源地；引脚16是供电输入端，连接+5V电源电压；C24是滤波电容；串行通信单元（39）的作用是完成RS232电平和TTL电平的相互转换，实现串行数据通信；

所述控制系统的电源转化单元（40）包括第一直流电压转换芯片U2和第二直流电压转换芯片U3；第一直流电压转换芯片U2的型号LM2940CS，一共有4个引脚，U2的引脚1是电源电压输入端，连接保险丝F1后接POWER接口的引脚2，C21是电源电压输入端的滤波电容；U2的引脚2是接地端，连接电源地；U2的引脚3是+5V电源电压输出端，C22和C23是电源电压输出端的滤波电容；U2的引脚4是固定焊盘，没有电气特性，可以与引脚2连接；第二直流电压转换芯片U3的型号LM1117，一共有4个引脚，U3的引脚1是接地端，连接电源地；U3的引脚2是+3.3V电源电压输出端，连接限流电阻R42，C40和C41是电源电压输出端的滤波电容；U3的引脚3是电源电压输入端，连接+5V电源电压，C39是电源电压输入端的滤波电容；U3的引脚4是固定焊盘，没有电气特性，可以与引脚2连接；电源转化单元（40）的作用是将输入的+6V-24V直流电源转换成单片机和其它单元所需要的电源电压；

所述控制系统的复位电路（41）包括背景调试接口BDM， BDM的引脚1和引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是单片机（37）工作模式输出端，通过电阻R10连接单片机（37）的引脚23；引脚4是复位输出端，通过连接电阻R8和R9实现单片机（37）的软件复位；引脚5和引脚6是供电输入端，连接+5V电源电压；R11是上拉电阻，C20是滤波电容，PB1是复位按键，实现单片机（37）的硬件复位；复位电路（41）的作用是实现单片机（37）的软硬件复位以及背景调试；

所述控制系统的数据存储单元（42）包括FLASH数据存储接口U4，一共有12个引脚，引脚1是片选输入端，连接单片机（37）的引脚96；引脚2是数据输入端，连接单片机（37）的引脚94；引脚3、引脚6和引脚10是接地端，连接电源地；引脚4是供电输入端，连接+3.3V电源电压；引脚5是外部时钟信号输入端，连接单片机（37）的引脚95；引脚7是数据输出端，连接单片机（37）的引脚93；引脚8是数据端1，用于SD卡模式，在SPI模式下悬空未连接；引脚9是数据端2，用于SD卡模式，在SPI模式下悬空未连接；引脚11是固定焊盘，没有电气特性，可以连接电源地；引脚12是数据写保护端，连接电源地；R30、R31、R32、R33为上拉电阻，C38为滤波电容；数据存储单元（42）采用SPI工作模式，作用是存储数据；

所述控制系统的Can接口（43）设有两路Can通信模块，Can0总线用于上位机通信，Can4总线用于输出执行电路的通信；作用是实现与其它设备的Can总线通信；U6是高速Can通信协议转换芯片TJA1040，一共有8个引脚，引脚1是数据输出端，连接单片机的引脚104；引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是供电输入端，连接+5V电源电压；引脚4是数据输入端，连接单片机的引脚105；引脚5是参考电压输出端，连接匹配电阻R14、R15；引脚6是低电平Can总线输入输出端，连接Can0接口的引脚1和引脚3；引脚7是高电平Can总线输入输出端，连接Can0接口的引脚2和引脚4；引脚8是工作模式输入端，连接电阻R13接地后实现正常工作模式；C29，C30是滤波电容；

U7也是高速Can通信协议转换芯片TJA1040，一共有8个引脚，其连接方式与U6相同，引脚1是数据输出端，连接单片机的引脚98；引脚2是接地端，连接电源地；引脚3是供电输入端，连接+5V电源电压；引脚4是数据输入端，连接单片机的引脚99；引脚5是参考电压输出端，连接匹配电阻R17、R18；引脚6是低电平Can总线输入输出端，连接Can4接口的引脚1和引脚3；引脚7是高电平Can总线输入输出端，连接Can4接口的引脚2和引脚4；引脚8是工作模式输入端，连接电阻R16接地后实现正常工作模式；C31，C32是滤波电容。

3.一种智能车辆自动驾驶装置的控制方法，其特征在于具体操作步骤如下：

步骤100.首先进行软硬件初始化；

步骤110.接受上位机发送的功能模式指令，上位机是指令输出端，是普通计算机，属于外接设备；

步骤120.根据上位机发送的功能模式指令，电磁离合器执行相应的动作，若上位机发送的是人工驾驶模式指令，则干式电磁离合器（5），断电分离；若上位机发送的是自动驾驶模式指令，则干式电磁离合器（5）通电吸合； 

步骤130. 若干式电磁离合器（5）断电分离，车辆处于人工驾驶模式，不具备自动驾驶功能；

步骤140. 若干式电磁离合器（5）通电吸合，车辆处于自动驾驶模式；

步骤150. 通过串行通信单元（39）接受GPS发送的车辆位置的信息，GPS为外接设备；

步骤160. 单片机（37）接受GPS发送的车辆位置信息，经过数据处理，单片机（37）产生车辆期望的控制指令； 

步骤170.单片机（37）输出的控制指令通过Can接口（43）分别送至转向驱动单元（16）、制动驱动单元（17）、油门驱动单元（18）和档位驱动单元（19）； 

步骤180. 转向驱动单元（16）、制动驱动单元（17）、油门驱动单元（18）和档位驱动单元（19）通过Can接口（43）接受单片机（37）的控制指令，并向转向直流伺服电机（2）、制动直流伺服电机（23）、油门直流伺服电机（24）和档位直流伺服电机（25）发送相应的控制指令；

步骤190. 转向直流伺服电机（2）、制动直流伺服电机（23）、油门直流伺服电机（24）和档位直流伺服电机（25）分别接受转向驱动单元（16）、制动驱动单元（17）、油门驱动单元（18）和档位驱动单元（19）所发送的控制指令，并执行相应的动作，从而实现了车辆的自动驾驶。

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